(57)【要約】【課題】出力密度を向上する燃料電池スタックを提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池スタックにおいて、セパレータ１２、１３が、波形にプレス成形された導電性の金属板を、アノード１１ｂまたはカソード１１ｃに接することで燃料ガス流路６または酸化剤ガス流路７を画成する反応部と、反応部を取り囲み、電解質膜・電極構造体との間のシール性を担保するシール１４が設けられるシール部とから構成され、シールは、電解質膜・電極構造体とセパレータとを接着し、シールの積層方向の剛性は、セパレータの反応部の積層方向の剛性より大きく、シール部は、反応部の波形形状の積層方向の高さの範囲内に設置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード及びカソードとからなる電解質膜・電極構造体と、
この電解質膜・電極構造体を挟持して、前記アノード及び前記カソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが流通する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する一対のセパレータと、からなる単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータは、
波形にプレス成形された導電性の金属板を、前記アノードまたは前記カソードに接することで前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を画成する反応部と、
前記反応部を取り囲み、前記電解質膜・電極構造体との間のシール性を担保するシールが設けられるシール部とから構成され、
前記シールは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを接着し、前記シールの積層方向の剛性は、前記セパレータの反応部の積層方向の剛性より大きく、
前記シール部は、前記反応部の波形形状の積層方向の高さの範囲内に設置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記シール部は、積層方向において前記電解質膜・電極構造体より所定距離Ｌだけ離れて設置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記所定距離Ｌは、下式により算出されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【数１】
2007299673.tif 000004
ここで、Ｈ１：前記各セパレータの積層方向の高さ、
Ｈ２：電解質膜・電極構造体から遠い側のセパレータ端部からシール部までの
積層方向での距離（Ｈ１＞Ｈ２）、
ｔ２：前記燃料電池スタック状態での前記アノードまたは前記カソードの厚さ
とする。
【請求項４】
前記一対のセパレータ間に前記燃料電池スタックの温度を制御するための冷媒を流通する冷媒流路を形成し、この冷媒流路の外縁に沿って前記冷媒が外部に漏洩しないようにゴム材からなるゴムシールを配置し、
前記シールの積層方向の剛性は、前記ゴムシールの積層方向の剛性より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記シールと前記ゴムシールの配置は、積層方向から見て略一致するように配置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記シール部の表面粗さは、前記反応部の表面粗さより粗いことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる（特許文献１参照）。
【０００３】
陽極反応：    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                          （１）
陰極反応：    ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ          （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。
【０００４】
また、供給されるガスの外部への漏洩、およびガスの混入を防止するために、ＭＥＡとセパレータ間、または各セパレータ間に液状シール材を塗布して各ガス流路からのガスの外部、または他のガス流路への漏えいを防止し、シール性を確保する技術がある。
【０００５】
このような燃料電池スタックの出力密度の向上及び生産性の向上に関する技術が日々研究され、例えば、出力密度の向上の手段の一例としては、単セルの積層間隔であるセルピッチを縮小するために金属セパレータや前述の反応が生じるアクティブエリアの面積を拡大するため、非アクティブエリアであるシール部の面積を縮小する技術がある。
【０００６】
生産性の向上の一例としては、特許文献２に示すような単セルのモジュール化の技術がある。特許文献２の技術は、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持するセパレータとを接着剤を用いてモジュール化するもので、モジュール化にあたり使用する接着剤が硬化後でも弾性を有し、かつセパレータ間のスペーサとして機能する球状のビーズを接着剤に混入させた接着剤である。
【０００７】
このような硬化後でも弾性を備えた接着剤を用いることによりＭＥＡの熱膨張を許容することができ、またスペーサとしてのビーズを接着剤に混入させることによりセパレータ間の電気的短絡を防止することができる。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５２８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載の技術では、スペーサとしてのビーズがセパレータとＭＥＡ間のアクティブエリアに入り込むと、単セル積層時の締結荷重によりビーズがＭＥＡを損傷する恐れがあり、ビーズをアクティブエリア側に入り込まないように十分なシール領域を確保する必要があり、燃料電池の大型化及び出力密度の低下を招くという課題がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、出力密度を向上できる燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード及びカソードとからなる電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、前記アノード及び前記カソードに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスが流通する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する一対のセパレータと、からなる単セルを積層して構成される燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、波形にプレス成形された導電性の金属板を、前記アノードまたは前記カソードに接することで前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を画成する反応部と、前記反応部を取り囲み、前記電解質膜・電極構造体との間のシール性を担保するシールが設けられるシール部とから構成され、前記シールは、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとを接着し、前記シールの積層方向の剛性は、前記セパレータの反応部の積層方向の剛性より大きく、前記シール部は、前記反応部の波形形状の積層方向の高さの範囲内に設置される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、従来技術のようなビーズを用いることなく、反応部より剛性の高いシールにより電解質膜・電極構造体とセパレータ間の位置決めを行い、また波形形状の反応部とすることで電解質膜・電極構造体の変形を許容することで、シール部の拡大を抑制して出力密度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、燃料電池スタック１を示す斜視図であり、図２は、同じく正面図である。本実施形態の燃料電池は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型燃料電池である。
【００１３】
スタック１は、起電力を生じる単位電池としての単セル１０を所定数だけ積層したセル積層体１０ａからなる積層電池である。単セル１０は、それぞれが固体高分子型燃料電池として形成されており、各単セル１０が１Ｖ程度の起電圧を生じる。
【００１４】
スタック１は、セル積層体１０ａの両端に集電板２を設置し、絶縁板３を介してエンドプレート４が配置される。さらにスタック１は、セル積層体１０ａを積層方向に締め付けるテンションロッド５を備える。
【００１５】
集電板２は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、直列に接続された単セル１０からなるセル積層体１０ａで発電された起電力は、集電板２の端子２ａに接続された図示しない負荷に供給される。
【００１６】
絶縁板３は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、集電板２とエンドプレート４間の絶縁を確保する。
【００１７】
エンドプレート４は、剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成されている。
【００１８】
これら集電板２、絶縁板３及びエンドプレート４には、後述する単セル１０の燃料ガス流路６、酸化剤ガス流路７及び冷却媒体流路８に連通する貫通孔が形成される。
【００１９】
テンションロッド５は、各単セル１０に所定圧が作用するようにセル積層体１０ａをセル積層方向に締め付ける。テンションロッド５は、ボルト状に形成され、セル積層体１０ａの角部に貫通した貫通孔を挿通し、テンションロッド５の端部に形成したネジ部にナットが螺合することでセル積層体１０ａを積層方向に締め付ける。テンションロッド５は剛性を備えた材料、例えば鋼等の金属材料によって形成され、単セル１０同士の電気的短絡を防止するため、表面には絶縁の処理をした構造を有している。
【００２０】
なお、セル積層体１０ａの締め付け方法は、テンションロッド５をセル積層体１０ａ内部を貫通する構成ではなく、スタック１外部にテンションロッド５を配置して、セル積層体を挟持したエンドプレート４同士をテンションロッド５により締め付ける機構であっても良い。
【００２１】
また、一方のエンドプレート４と、このエンドプレート４に隣接する絶縁板２との間に、第２エンドプレートを追加して配置し、一方のエンドプレート４と第２エンドプレート間にバネ等の加圧装置を設置し、第２エンドプレート、他方のエンドプレート４間をテンションロッド５によって締め付ける機構としても良く、さらにはこれらの加圧方法には限定されず、他の方法であってもよい。
【００２２】
図３は本発明の第１の実施形態のセパレータの構成を示すセル積層体１０ａの一部断面図である。
【００２３】
単セル１０は、ＭＥＡ１１と、このＭＥＡ１１を挟持するアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３から構成される。
【００２４】
ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるアノード（燃料極）１１ｂ、および電解質膜１１ａの対面に面して配置され、ガス拡散層、撥水層および触媒層からなるカソード（空気極）１１ｃとからなる。
【００２５】
電解質膜１１ａは、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、所定の湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２６】
アノード１１ｂおよびカソード１１ｃは、ガス拡散電極であり、ガス拡散層、撥水層、触媒層からから構成される。ガス拡散層は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトなど、適当なガス拡散性および導電性を有する部材によって構成される。撥水層は、例えばポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層であり、触媒層は白金が担持されたカーボンブラックからなる。
【００２７】
図３によれば、アノードセパレータ１２は、アノード１１ｂに接して燃料ガスが流通する燃料ガス流路６を画成し、頂部１２ａと底部１２ｂとから波形に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する燃料ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール１４が設置される平面状のシール部１２ｃから構成される。シール部１２ｃは、積層方向でのＭＥＡ１１からの距離にして反応部の頂部１２ａと底部１２ｂとの間に配置されており、アノードセパレータ１２とＭＥＡ１１（電解質膜１１ａの保持部）との間にシール１４が設置される。シール１４はアノードセパレータ１２とＭＥＡ１１との間のシール性を確保する接着剤であり、この接着剤は絶縁性を有し、硬化後の積層方向の剛性が、各セパレータ１２、１３のシール部１２ｃ、１３ｃ間に設置されるゴムシール１５より高いことを特徴とする接着剤、例えばエポキシ系接着剤を用いる。このような剛性の高いシール１４を用いることで各単セル間の電気的短絡が生じることを防止できる。
【００２８】
また、ゴムシール１５は、例えばシリコン系やフッ素系のゴム材料を用い、各セパレータ１２、１３間に形成される冷媒流路８からの冷媒の外部への漏洩を防止する。なお、積層方向から見て、シール１４の中心位置とゴムシール１５の中心位置とが略一致するように配置することで、シール部１２ｃ、１３ｃに必要なスペースを最小限とし、燃料電池の大きさが同じ場合に、燃料電池の出力密度を向上することができる。
【００２９】
シール１４が塗布されるセパレータ１２、１３のシール部１２ｃ、１３ｃの表面粗さは、反応部の表面粗さより粗く設定することで、クサビ効果によりシール１４をシール部１２ｃ、１３ｃ表面に接着させることができる。
【００３０】
アノードセパレータ１２の底部１２ｂは、ＭＥＡ１１のアノード１１ｂに接して、アノード１１ｂに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路６を画成する。また、頂部１２ａが隣接するカソードセパレータ１３の底部１３ｂと接して、アノードセパレータ１２の頂部１２ａとカソードセパレータ１３の頂部１３ａとの間で単セル１０の熱を放熱する冷媒が流通する冷媒流路８を画成する。
【００３１】
またカソードセパレータ１３も、アノードセパレータ１２と同様に、カソード１１ｃに接して酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路７を画成し、頂部１３ａと底部１３ｂとから波形に形成される反応部と、この反応部の周囲に形成され、反応部を流通する酸化剤ガスが外部へ漏洩するのを防止するシール１４が設置されるシール部１３ｃから構成される。シール部１３ｃは、積層方向でのＭＥＡ１１からの距離にして反応部の頂部１３ａと底部１３ｂとの間に配置されており、シール１４がカソードセパレータ１３とＭＥＡ１１（電解質膜１１ａの保持部）との間に設置される。
【００３２】
カソードセパレータ１３の頂部１３ａは、ＭＥＡ１１のカソード１１ｃに接して、カソード１１ｃに酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化剤ガス流路７を画成する。
【００３３】
なお、各セパレータ１２、１３は、適当な導電性と強度と耐食性とを有する、例えば金属の薄厚板材を用い、プレス加工により成形される。プレス成形されたセパレータ１２、１３は、前述の通り波形の形状を有し、積層方向の剛性、特に反応部の剛性はシール１４としての接着剤より低く抑えられている。このため、ＭＥＡ１１が後述の図５で示すようなシール１４の接着後に変形を生じても、セパレータ１２、１３が変形することにより、ＭＥＡ１１の変形を許容することができる。
【００３４】
また、アノード１１ｂ、カソード１１ｃは、シール部１２ｃ、１３ｃ近傍まで配置され、反応部をできるだけ大きくレイアウトする。具体的には図３に示すように、シール部１２ｃ、１３ｃに隣接する燃料ガス流路６または酸化剤ガス流路７の中心よりシ−ル部側まで設定する。
【００３５】
図４は、セパレータのシール部の積層方向の位置関係を説明する図であり、シール部は積層方向で、各セパレータの頂部と底部との間に位置するように配置され、電極膜１１ａ表面からシール部１２ｃ、１３ｃまでの距離Ｌは、下式で示される。
【００３６】
【数１】
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【００３７】
ここで、Ｈ１：各セパレータの積層方向の高さ、すなわち、アノードセパレータまたはカソードセパレータの頂部からセパレータ底部までの距離、
Ｈ２：ＭＥＡから遠い側のセパレータ端部からシール部までの積層方向での距離、すなわち、アノードセパレータまたはカソードセパレータのシール部からセパレータ底部までの距離（Ｈ１＞Ｈ２）、
ｔ２：燃料電池スタック状態でのアノードまたはカソードの厚さ
とする。なお、距離Ｌは、上式を満たした上で、積層方向にアノード１１ｂまたはカソード１１ｃから離れるように設定することが、シール１４の成形上、望ましい。
【００３８】
図５は、単セル１０の成形方法及び波形形状のセパレータの効果を説明する図である。
【００３９】
（ａ）ではアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３の間にＭＥＡ１１を挟持するように配置し、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３とＭＥＡ１１との間にシール１４としての接着剤を塗布し、ＭＥＡ１１を所定の荷重Ｆで挟持し、挟持した状態を維持したままシール１４が硬化するのを待つ。シール１４を用いて各セパレータ１２、１３とＭＥＡ１１とを接着することで、単セル１０が形成される。
【００４０】
シール１４としての接着剤が硬化した後、荷重Ｆを除去すると（ｂ）に示すようにアノード１１ｂ、カソード１１ｃの厚さがｔ２からｔ１に増大する。しかしながら、単セル１０の形成に使用するシール１４としての接着剤は、硬化後の剛性の高い接着剤を使用するため、アノード１１ｂ、カソード１１ｃの厚さの増大に伴う変形は、各セパレータ１２、１３が撓むことにより吸収する。したがって、各セパレータ１２、１３の積層方向の剛性は、アノード１１ｂ、カソード１１ｃの積層方向のバネ特性より低く設定されるように、その形状、材質及びその厚さ等が決定される。また、シール１４の硬化後の剛性は、アノード１１ｂ、カソード１１ｃの積層方向の剛性より高く設定される。なお、ここで、アノード１１ｂ、カソード１１ｃの厚さｔ２が燃料電池スタック１状態での厚さに相当する。
【００４１】
したがって、本発明では、セパレータの反応部を波形形状に成形して、ＭＥＡ１１の変形を許容するとともに、シールとして剛性の高い接着剤を用いることで、ＭＥＡ１１と各セパレータ間の間隔を維持するため、従来技術のようなビーズを用いる必要がなく、シール部の領域を抑制し、燃料電池スタックの出力密度を向上することができる。
【００４２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの正面図である。
【図３】セパレータの構成を示すセル積層体の一部断面図である。
【図４】セパレータのシール部の位置を説明する図である。
【図５】単セルの成形方法及び波形形状のセパレータの効果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
６：燃料ガス流路
７：酸化剤ガス流路
８：冷媒流路
１０：単セル
１１：ＭＥＡ
１１ａ：電解質膜
１１ｂ：アノード
１１ｃ：カソード
１２：アノードセパレータ
１２ａ：頂部
１２ｂ：底部
１３：カソードセパレータ
１３ａ：頂部
１３ｂ：底部
１４：シール
１５：ゴムシール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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